HPC-Trends 2022: Das müssen Industrie-Unternehmen und Produktentwickler kennen

Der Veranstalter der Supercomputing-Konferenz und -Ausstellung ISC High Performance 2022 hat Beiträge zu aktuellen Themen rund um HPC-Systeme, Maschine Learning (ML) und Zukunftstrends wie das Quantencomputing zusammengetragen. Neu sind die Programm-Tracks, die den Besuchern die Übersicht erleichtern sollen. Das Gesamtprogramm findet sich online. Aber was sind nun die HPC-Trends 2022, die die ISC abbildet?

Eine Reise zum Digital Twin in der Industrie

Der Digital Twin ist die virtuelle Darstellung eines realen, physischen Systems in der digitalen Welt. Wobei es egal ist, ob das physische System bereits existiert oder erst in Zukunft Realität werden könnte. Er ist getrieben von Echtzeitdaten, nutzt Simulationen, ML und weitere Techniken zur Schlussfolgerung, um Entscheidungen zu unterstützen. Insbesondere in der Industrie könnte die vermehrte Nutzung von Digital Twins und Simulation ein neues Zeitalter der Virtualisierung und der Künstlichen Intelligenz (AI) einläuten.

Rev Lebaredian, Vice President of Omniverse and Simulation Technology bei Nvidia drückt es in der Konferenz-Keynote „Supercomputing: the key to unlocking the next level of digital twins”, die er sich mit Michele Melchiorre, Senior Vice President der BMW Group für Produktionssysteme, technische Planung, Werkzeugbau und Anlagenbau, teilt, drastisch aus: Für ihn führen die heutigen Technologien zu einem Urknall der Simulation in virtuellen Welten. Zu diesem Urknall zeigen sich schon erste Ausläufer in der Industrie, wie Michele Melchiorre von BMW noch innerhalb derselben Keynote ausführt: Er nimmt die Zuhörer mit auf eine Reise durch die Phasen des virtuellen Produktionssystems des Autoherstellers und erkundet dabei die Herausforderungen und Vorteile von Digital-Twin-Projekten in der Industrie.

Schlüssel-Technologie Machine Learning

In den letzten Jahren hat sich ML im Zusammenhang mit HPC zu einem Megatrend entwickelt, der das Potenzial zu Prozessoptimierungen und der Entwicklung neuer Produkte und Services hat. Die Möglichkeiten erscheinen grenzenlos und müssen nun in den unterschiedlichen Domänen weiterentwickelt werden. Dabei beschäftigt sich das diesjährige Panel mit der Frage, ob es Grenzen von ML-Methoden in numerischen Simulationen gibt, oder ob dem Panel-Titel folgend numerische Simulation gar ein Auslaufmodell ist: „Machine learning is everywhere – have numerical simulations become obsolete?“ Die Frage scheint gewagt und vermutlich wird sie (noch) nicht mit „Nein“ beantwortet werden.

Bodenständig behandelt die Session „Life Sciences“ konkrete Anwendungen von ML- und AI-Modellen: Molekularbiologen und Mediziner nutzen sie zunehmend zur Versuchsplanung und Entscheidungsfindung. Die neuen Verfahren zeigen enormes Potential bei einem Bruchteil der CPU-Zeiten im Vergleich zu früheren Ansätzen. Auch die Session „Climate & Weather“ beschäftigt sich mit konkreten ML-Anwendungen. Diese gewinnen zunehmend an Bedeutung in den Wettermodellen, da die großen Datenmengen nur durch die immense Zunahme der Rechenleistung von HPC-Systemen und dem Einsatz von ML-Modellen interpretierbar werden.

HPC-Trends 2022: Enabler Open Sience

Die zweite Keynote „10 years from the Reproducibility PI Manifesto, it’s time to Transform to Open Science“ von Lorena A. Barba, Professorin für mechanical and aerospace engineering an der George Washington University in Washington DC, ist ein Plädoyer für Open Science, Transparenz und Reproduzierbarkeit sowie die Darstellung von damit verbundenen Herausforderungen in den Wissenschaften. Ganz aktuell ist dieses Thema, da es im Zusammenhang mit der internationalen Reaktion auf das SARS-CoV-2-Virus gezeigt hat, wie unermesslich eine offene Wissenschaft den Fortschritt beschleunigen kann. Diesen Gedanken folgend hat auch die Nasa das Jahr 2023 zum Jahr der offenen Wissenschaft erklärt.

„Klassisches“ HPC und Hardware

Bei allen Erfolgen, die etwa ML feiert, spielt die „klassische“ Anwendung von HPC weiterhin eine entscheidende Rolle in der Forschung und Entwicklung, wie die Session „New and Unconventional Applications“ demonstriert.

Da HPC-Architekturen generell sehr unterschiedlich ausfallen und den Programmierern nicht zuzumuten ist, dass sie jedesmal ihre Programme umschreiben, wenn sich HPC-Systeme verändern, beschäftigt sich die Session „Extreme Scale Parallelism and Mathematical Libraries“ damit, wie Software und Modelle auf unterschiedlichen Architekturen lauffähig werden.

Das Thema Hardware nimmt in den Tiefen des HPCs natürlich seit jeher eine große Rolle ein, in denen sich auch zahlreiche Trends ausmachen lassen, die auch Einfluss auf die HPC-Anwendungen in der Industrie haben können. Eine Session beschäftigt sich etwa mit „Reconfigurable hardware devices“. Diese entwickeln sich zu einer praktischen Plattform für die Einführung neuer Berechnungsparadigmen. Das gilt insbesondere für rekonfigurierbare Hochleistungshardware, bei der die Flexibilität genutzt werden kann, um den Anforderungen des zugrunde liegenden Problems besser gerecht zu werden.

Erwähnenswert ist auch, dass in Zukunft Netzwerk- und Speicherverbindungen vermehrt in die Data Processing Units (DPUs) integriert werden sollen, und die CPUs, GPUs sowie benutzerdefinierte ASICs oder FPGAs dann an dieser DPU hängen. Wer mehr hierzu erfahren möchte, der sollte sich die Session „System Architecture of Exaflops Supercomputers“ im Programm markieren. Wen hingegen die Entwicklung an der Weltspitze der Exaflop-Systeme in der Top500-Liste besonders am Herzen liegt, der findet Information und Unterhaltung in einer speziellen Session (Top500) zum diesem Thema.

HPC-Trends 2022: Cloud oder Edge?

Die Cloud ist nicht nur von der Anwenderseite her interessant, sondern kann selbst als Wissenschaft betrachtet werden. Hier ist eine neue Art von Cloud-Plattformen im Kommen, die dem Nutzer noch mehr Flexibilität, hohe Sicherheit und die Möglichkeit zur Kopplung mit Supercomputern und Edge-Geräten in Hochleistungsnetzwerken verspricht. Dem trägt die Session „Cloud Infrastructures for AI, Data Science and System Research“ Rechnung.

Dabei ist natürlich immer die Frage, welche Daten bereits am Ort des Geschehens verarbeitet werden können und sollten. Mit diesem Edge-to-Exascale-Paradigma beschäftigt sich die Session „HPC at the Edge“. Dabei dürfte gerade dieses Thema im Jahr 2022 heiße Diskussionen auslösen.

Quatencomputing im Kommen

Neben dem akademischen Interesse an Quantencomputing (QC) setzt sich vor allem die Industrie vermehrt auf dieses Thema. Die Session „QC-HPC integration for hybrid quantum-classical“ bespricht die Auswirkungen von Quantencomputern auf HPC-Anwendungen und die Integration derselben in HPC-Cluster. Dabei ist vor allem die Anwendungsebene interessant, wie auf QC-Systemen rechenintensive oder schwer lösbare Probleme in Zukunft lösbar werden könnten. Eine weitere Session über „QC“ von Mark Johnson über die „D-Wave Mission“ rundet den QC-Track ab.

HPC-Einfluss auf die Industrie

Speziell für (potentielle) HPC-Nutzer in der Industrie bündelt der Track „HPC & ML in Industry“ die erwähnten Trendthemen in Fragen, die sich etwa zur fortgeschrittenen 3D-Modellierung und -Simulation in der Industrie ergeben. Einsteiger und Interessierte dürften beispielsweise die Session „Applications of HPC in Industry“ interessant finden, da sie darauf zielt, ein besseres Verständnis für HPC & ML in der Industrie zu erzeugen. Auch die Session „From edge to cloud to quantum – Challenges and opportunities for industrial HPC“, greift Themen auf, die einigen Nutzern und Unternehmen gerade unter den Nägeln brennen dürften: Wann ist es sinnvoll Rechenleistung an der Edge zu implementieren und wann gilt es, die Vorzüge der Cloud nutzen?

Live-Überblick über die HPC-Trends 2022

Wer live eine Zusammenfassung der aktuellen HPC-Trends 2022 erleben möchte, der sollte auch die Keynote „HPC Achievement and Impact – 2022“ am Mittwoch nicht verpassen: Thomas Sterling, Director for the Center for Research in Extreme Scale Technologies an der Indiana University, gibt einen Überblick über die aktuellen HPC-Themen weltweit.

Der Autor Dr. Horst Gietl ist Executive Consultant für High Performance Computing bei der ISC Group.

Lesen Sie auch: Digitale Lösungen: Wie Sie Simulation und Automatisierung verbinden können